Gβγ蛋白在细胞信号交互转导中的作用及其心血管病学意义
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作者：余细勇
单位：广东省心血管病研究所，广东 广州 510080
关键词：
中国病理生理杂志0010164 G蛋白(G-protein)是质膜蛋白的一种，位于胞浆膜面，是广泛存在的一类信号转导蛋白。机体内有多种G蛋白存在，其中异源三聚体G蛋白(heterotrimeric G-protein)与具有7个跨膜结构的细胞膜受体偶联，介导复杂的细胞信号转导作用。三聚体G蛋白由α、β、γ三类亚单位组成，目前已发现有21种α亚单位(45～52 kD)，5种β亚单位(35～37 kD)和11种γ亚单位(8～10 kD)。β和γ亚单位一般以βγ聚合体形式存在，长期被认为是无功能性的亚基。近来的研究发现，βγ亚单位同样作为一个功能单位参与信号传递过程，并不像以往认为的那样，只有α亚单位在信号转导中起主要作用，βγ不具备效应活性，仅对Gα功能起调节、终止作用。新近的研究显示，Gβγ不仅能够介导独立的信号传递通路，而且可能是G蛋白与其他信号通路进行交互转导(cross talking)的调控点。
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一、Gβ、Gγ的基本结构
在G蛋白三个亚单位中，β亚单位保守性最高，β1、β2、β3和β4由340个氨基酸残基组成，同源性高达79%～90%，新发现的β5则同源性较低，约为58%。Gβ由2部分组成，一是保守性较低的氨基末端，有30～40个氨基酸残基，与Gγ相互作用形成超级螺旋(coiled-coil)；二是保守性较高的7个WD重复片段(WD repeat)，每个WD重复区约40个氨基酸。Gβ的7个WD重复区形成一个外形类似于七个叶片组成的推进器样结构，中心为一逐渐缩窄充满水的孔道。Gβ推进器样结构傍于Gα的氨基末端，对于G蛋白三聚体的形成至关重要，其中第6个WD重复区的第258位天冬氨酸(Asp258)是维持Gβγ超螺旋结构的关键因素。Gγ亚单位由68～75个氨基酸组成，本身无特有的三级结构，含有2个螺旋区。γ亚单位的氨基酸序列变异较大，其差异决定了Gβγ功能的特异性。Gβγ复合体通过Gγ的羧基末端连接到细胞膜上，其中半胱氨酸的异戊烯化反应对Gβγ的细胞膜附着起重要作用。
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二、Gβγ复合体的功能
1.调节离子通道活性 Clapham等1993年在《Nature》杂志上发表有关Gβγ在跨膜信号转导中作用的文章，提出Gβγ可以使心房肌细胞钾通道开放频率提高150倍。Gβγ被引起重新重视。随后大量实验证实，G蛋白偶联受体对内向整流钾通道(GIRK)的调节主要由Gβγ介导。Inonobe(1995)证实Gβγ与Gα解离后，直接与GIRK的羧基末端连接，激活K+通道开放，促进M2胆碱受体介导的心脏起搏点(窦房结、房室结和心房肌)的超级化。G蛋白对钙通道的调节有多种形式，G蛋白对心肌、骨骼肌L型钙通道的兴奋作用主要依赖于Gsα引起的PKA磷酸化系统。近来的研究显示，在鼠交感神经上，Gβγ引起N型钙通道的电压依赖性抑制，与去甲肾上腺素作用相似，而Gα无此作用。
2.调节腺苷酸环化酶(AC)活性 腺苷酸环化酶是G蛋白调节的基本效应器之一。目前在哺乳动物中至少发现了10种AC导构体，分子量介于115至150 kDa，同源性为50%～90%。AC可分为三类：第一类为Ca2+-钙调素(Ca2+-CaM)所激活，受Gsα和Ca2+-CaM的调节(包括AC Ⅰ、Ⅲ、Ⅷ)；第二类为Gsα和Gβγ所激活(包括AC Ⅱ、Ⅳ和Ⅶ)；第三类受Giα和Ca2+抑制(包括AC Ⅴ、Ⅵ)。Gβγ对AC Ⅱ、Ⅳ的激活作用仍依赖于Gα，并可拮抗Gsα的作用，加强Giα的作用。深入研究发现，Gβγ与ACⅡ靠近羧基末端的第956-982位氨基酸结合，其中以QXXER片段最为重要，在ACⅣ、ACⅦ、β受体激酶(βARK)、GIRK和磷脂酶C(PLCβ)上均有类似片段。因此可用ACⅡ(956-982)多肽片段作为Gβγ抑制剂用于研究Gβγ的功能。
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3.调节磷脂酶C的活性 G蛋白的Gq家族(Gq、G11、G14、G15、G16)激活效应器磷脂酶C(PLC)；使磷脂酰肌醇(PI)信号系统被激活，形成两个第二信使IP3和DG，广泛影响机体各种生理功能。PLC是一个Ca2+-敏感的磷酸肌醇酶(phosphoinositidase)。PI特异性PLC有β、γ、δ三型，除了β型可被Gq家族激活外，γ型可被PDGF及EGF受体激活，δ型的激活机制尚不清楚。Gβγ与Gq一样，能独立地激活PLCβ，但是Gqα主要激活PLCβ1，而Gβγ主要激活PLCβ3。纯化的脑Gβγ作用强度为β3>β2>β1，对β4亚型无作用。
4.调节G蛋白偶联受体激酶活性 脱敏(desensitization)是指在使用一种激动剂期间或之后，组织或细胞对激动剂的敏感性和反应性下降的现象。G蛋白偶联受体家族的快速脱敏主要是由于受体的磷酸化，至少有两类不同的丝/苏氨酸蛋白激酶与此有关：①第二信使激活的激酶PKA、PKC；②不依赖第二信使的G蛋白偶联受体激酶(G-protein coupled receptor kinase, GRKs)。GRKs特异性作用于激动剂占领或激活的受体。现已发现的G蛋白偶联受体激酶有GRK1、GRK2(β受体激酶1，βARK1)、GRK3(β受体激酶2，βARK2)、GRK4、GRK5和GRK6，它们使受体羧基末端的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化，使其失去活性。以往的研究多集中在Gα对受体激酶的作用，最近的研究发现，Gβγ对受体激酶同样有调节作用。Gβγ使βARK1活性提高10倍，同时亦激活βARK2，而GRK1和GRK5则对Gβγ无反应。
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5.调节磷脂酰肌醇-3激酶的活性 除了经典的肌醇磷脂代谢途径外，体内还存在磷脂酰肌醇-3激酶(PI3-K)，此酶催化肌醇磷脂中肌醇第3位羟基的磷酸化。生成的PI(3)P、PI(3，4)P2和PI(3，4，5)P3不受PI-PLC水解，不生成已知的两个第二信使(IP3和DG)。由于PI3-K的代谢产物PI(3，4)P2、PI(3，4，5)P3其总量只是PI(4，5)P2的0.1%，总肌醇磷脂的0.005%以下，因此PI3-K并未引起人们的重视。近来研究发现，PI3-K是与血小板源生长因子(PDGF)、胰岛素生长因子(IGF)受体相关的受体酪氨酸激酶(RTK)激活的一种蛋白激酶，由调节亚基和催化亚基组成异源二聚体，其产物三磷酸肌醇磷脂使细胞由G1期进入S期，与细胞生长密切相关，从而引起高度关注。PI3-K可分为两类：一类为催化亚基P110α、β和δ与调节亚基P85形成异源二聚体，通过P85的SH2区联结蛋白酪氨酸激酶信号通路；另一类为催化亚基P110γ与调节亚基P110联结，直接转移P110γ亚基进细胞核。最近的研究表明，PI3-K的P110γ亚基则主要受Gβγ的直接调控而激活。初步的研究结果提示：①当细胞受刺激时，PI(3，4，5)P3的产生与F-肌动蛋白的聚合同时发生，因而PI(3，4，5)P3可能与调控细胞的运动、外型和分裂有关；②PI3-K活化癌基因产物c-Raf，而c-Raf底物是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶即MAPK激酶(MEK1/2)，继而活化细胞外信号调节蛋白激酶(ERK1/2)即P44/42MAPK通路；③PI(3，4，5)P3激活PKC-ξ。PKC-ξ与别的PKC同工酶不同，不受DG及Ca2+的激活，唯独受到PI(3，4，5)P3激活，值得深入研究。
综上所述，尽管Gβγ结构和功能研究获得了许多进展，但仍有许多问题尚待进一步探讨。首先，很多新的Gβ、Gγ正在研究之中，还不清楚Gβ、Gγ特异性结合的决定性因素。其次，G蛋白激活机制尚待完善，如激活后受体如何催化Gα-GDP中的GDP转化为GTP并促进Gβγ与Gα-GDP解离。更重要的是，Gβγ在G蛋白信号通路与MAPK信号通路交互转导中的调控作用及其在心血管疾病中的病理生理学意义则有待深入研究。, http://www.100md.com
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中国病理生理杂志0010164 G蛋白(G-protein)是质膜蛋白的一种，位于胞浆膜面，是广泛存在的一类信号转导蛋白。机体内有多种G蛋白存在，其中异源三聚体G蛋白(heterotrimeric G-protein)与具有7个跨膜结构的细胞膜受体偶联，介导复杂的细胞信号转导作用。三聚体G蛋白由α、β、γ三类亚单位组成，目前已发现有21种α亚单位(45～52 kD)，5种β亚单位(35～37 kD)和11种γ亚单位(8～10 kD)。β和γ亚单位一般以βγ聚合体形式存在，长期被认为是无功能性的亚基。近来的研究发现，βγ亚单位同样作为一个功能单位参与信号传递过程，并不像以往认为的那样，只有α亚单位在信号转导中起主要作用，βγ不具备效应活性，仅对Gα功能起调节、终止作用。新近的研究显示，Gβγ不仅能够介导独立的信号传递通路，而且可能是G蛋白与其他信号通路进行交互转导(cross talking)的调控点。
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一、Gβ、Gγ的基本结构
在G蛋白三个亚单位中，β亚单位保守性最高，β1、β2、β3和β4由340个氨基酸残基组成，同源性高达79%～90%，新发现的β5则同源性较低，约为58%。Gβ由2部分组成，一是保守性较低的氨基末端，有30～40个氨基酸残基，与Gγ相互作用形成超级螺旋(coiled-coil)；二是保守性较高的7个WD重复片段(WD repeat)，每个WD重复区约40个氨基酸。Gβ的7个WD重复区形成一个外形类似于七个叶片组成的推进器样结构，中心为一逐渐缩窄充满水的孔道。Gβ推进器样结构傍于Gα的氨基末端，对于G蛋白三聚体的形成至关重要，其中第6个WD重复区的第258位天冬氨酸(Asp258)是维持Gβγ超螺旋结构的关键因素。Gγ亚单位由68～75个氨基酸组成，本身无特有的三级结构，含有2个螺旋区。γ亚单位的氨基酸序列变异较大，其差异决定了Gβγ功能的特异性。Gβγ复合体通过Gγ的羧基末端连接到细胞膜上，其中半胱氨酸的异戊烯化反应对Gβγ的细胞膜附着起重要作用。
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二、Gβγ复合体的功能
1.调节离子通道活性 Clapham等1993年在《Nature》杂志上发表有关Gβγ在跨膜信号转导中作用的文章，提出Gβγ可以使心房肌细胞钾通道开放频率提高150倍。Gβγ被引起重新重视。随后大量实验证实，G蛋白偶联受体对内向整流钾通道(GIRK)的调节主要由Gβγ介导。Inonobe(1995)证实Gβγ与Gα解离后，直接与GIRK的羧基末端连接，激活K+通道开放，促进M2胆碱受体介导的心脏起搏点(窦房结、房室结和心房肌)的超级化。G蛋白对钙通道的调节有多种形式，G蛋白对心肌、骨骼肌L型钙通道的兴奋作用主要依赖于Gsα引起的PKA磷酸化系统。近来的研究显示，在鼠交感神经上，Gβγ引起N型钙通道的电压依赖性抑制，与去甲肾上腺素作用相似，而Gα无此作用。
2.调节腺苷酸环化酶(AC)活性 腺苷酸环化酶是G蛋白调节的基本效应器之一。目前在哺乳动物中至少发现了10种AC导构体，分子量介于115至150 kDa，同源性为50%～90%。AC可分为三类：第一类为Ca2+-钙调素(Ca2+-CaM)所激活，受Gsα和Ca2+-CaM的调节(包括AC Ⅰ、Ⅲ、Ⅷ)；第二类为Gsα和Gβγ所激活(包括AC Ⅱ、Ⅳ和Ⅶ)；第三类受Giα和Ca2+抑制(包括AC Ⅴ、Ⅵ)。Gβγ对AC Ⅱ、Ⅳ的激活作用仍依赖于Gα，并可拮抗Gsα的作用，加强Giα的作用。深入研究发现，Gβγ与ACⅡ靠近羧基末端的第956-982位氨基酸结合，其中以QXXER片段最为重要，在ACⅣ、ACⅦ、β受体激酶(βARK)、GIRK和磷脂酶C(PLCβ)上均有类似片段。因此可用ACⅡ(956-982)多肽片段作为Gβγ抑制剂用于研究Gβγ的功能。
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3.调节磷脂酶C的活性 G蛋白的Gq家族(Gq、G11、G14、G15、G16)激活效应器磷脂酶C(PLC)；使磷脂酰肌醇(PI)信号系统被激活，形成两个第二信使IP3和DG，广泛影响机体各种生理功能。PLC是一个Ca2+-敏感的磷酸肌醇酶(phosphoinositidase)。PI特异性PLC有β、γ、δ三型，除了β型可被Gq家族激活外，γ型可被PDGF及EGF受体激活，δ型的激活机制尚不清楚。Gβγ与Gq一样，能独立地激活PLCβ，但是Gqα主要激活PLCβ1，而Gβγ主要激活PLCβ3。纯化的脑Gβγ作用强度为β3>β2>β1，对β4亚型无作用。
4.调节G蛋白偶联受体激酶活性 脱敏(desensitization)是指在使用一种激动剂期间或之后，组织或细胞对激动剂的敏感性和反应性下降的现象。G蛋白偶联受体家族的快速脱敏主要是由于受体的磷酸化，至少有两类不同的丝/苏氨酸蛋白激酶与此有关：①第二信使激活的激酶PKA、PKC；②不依赖第二信使的G蛋白偶联受体激酶(G-protein coupled receptor kinase, GRKs)。GRKs特异性作用于激动剂占领或激活的受体。现已发现的G蛋白偶联受体激酶有GRK1、GRK2(β受体激酶1，βARK1)、GRK3(β受体激酶2，βARK2)、GRK4、GRK5和GRK6，它们使受体羧基末端的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化，使其失去活性。以往的研究多集中在Gα对受体激酶的作用，最近的研究发现，Gβγ对受体激酶同样有调节作用。Gβγ使βARK1活性提高10倍，同时亦激活βARK2，而GRK1和GRK5则对Gβγ无反应。
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5.调节磷脂酰肌醇-3激酶的活性 除了经典的肌醇磷脂代谢途径外，体内还存在磷脂酰肌醇-3激酶(PI3-K)，此酶催化肌醇磷脂中肌醇第3位羟基的磷酸化。生成的PI(3)P、PI(3，4)P2和PI(3，4，5)P3不受PI-PLC水解，不生成已知的两个第二信使(IP3和DG)。由于PI3-K的代谢产物PI(3，4)P2、PI(3，4，5)P3其总量只是PI(4，5)P2的0.1%，总肌醇磷脂的0.005%以下，因此PI3-K并未引起人们的重视。近来研究发现，PI3-K是与血小板源生长因子(PDGF)、胰岛素生长因子(IGF)受体相关的受体酪氨酸激酶(RTK)激活的一种蛋白激酶，由调节亚基和催化亚基组成异源二聚体，其产物三磷酸肌醇磷脂使细胞由G1期进入S期，与细胞生长密切相关，从而引起高度关注。PI3-K可分为两类：一类为催化亚基P110α、β和δ与调节亚基P85形成异源二聚体，通过P85的SH2区联结蛋白酪氨酸激酶信号通路；另一类为催化亚基P110γ与调节亚基P110联结，直接转移P110γ亚基进细胞核。最近的研究表明，PI3-K的P110γ亚基则主要受Gβγ的直接调控而激活。初步的研究结果提示：①当细胞受刺激时，PI(3，4，5)P3的产生与F-肌动蛋白的聚合同时发生，因而PI(3，4，5)P3可能与调控细胞的运动、外型和分裂有关；②PI3-K活化癌基因产物c-Raf，而c-Raf底物是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶即MAPK激酶(MEK1/2)，继而活化细胞外信号调节蛋白激酶(ERK1/2)即P44/42MAPK通路；③PI(3，4，5)P3激活PKC-ξ。PKC-ξ与别的PKC同工酶不同，不受DG及Ca2+的激活，唯独受到PI(3，4，5)P3激活，值得深入研究。
综上所述，尽管Gβγ结构和功能研究获得了许多进展，但仍有许多问题尚待进一步探讨。首先，很多新的Gβ、Gγ正在研究之中，还不清楚Gβ、Gγ特异性结合的决定性因素。其次，G蛋白激活机制尚待完善，如激活后受体如何催化Gα-GDP中的GDP转化为GTP并促进Gβγ与Gα-GDP解离。更重要的是，Gβγ在G蛋白信号通路与MAPK信号通路交互转导中的调控作用及其在心血管疾病中的病理生理学意义则有待深入研究。, http://www.100md.com